CC BY
38
КОНСТРУЮВАННЯ РАДЮАПАРАТУРИ
УДК 621.396
ПРИНЦИПИ ПРОЕКТУВАННЯ КОНСТРУКЦ1Й РАД1ОЕЛЕКТРОННИХ АПАРАТ1В 13 ОПТИМАЛЬНИМИ ПОКАЗНИКАМИ ЯКОСТ1
Уваров БМ.
Розглянут1 проблеми, що виникають тд час проектування оптимальних конструк-ц1й радюелектронно'г апаратури, а також методи створення цшьовог функци пристрою, що забезпечать найвищ1 показники якост1 об 'екту проектування
Головна мета процесу проектування будь-якого техшчного об'екту -одержати проектне ршення, яке забезпечить найвишд показники якост пристрою. У стислому виглядi кшцеве проектне ршення повинно бути вь дображене у цшьовш функци (ЦФ) пристрою, яка мютить зв'язок основ-них функщональних характеристик з бшьшютю його параметрiв. Одер-жання ЦФ у виглядi рiвняння (чи системи рiвнянь) найчастiше само по со-бi бувае проблемою, яку необхщно розв'язувати вперше.
Методи проектування техшчних об'eктiв
Доцiльно методи проектування подшити на три групи:
а) структурш - створюють на початковому етат таку структуру об'екту, яка не потребуе подальшо! суттево! змши И складових, бо вiдомо, що оптимум ЦФ буде забезпечений;
б) адаптивш - структуру та И складовi у процес проектування змшю-ють, наближуючи показники пристрою до оптимальних;
в) структурно-оптимiзацiйнi - створюють структуру, близьку до оптимально!, а далi у процес параметрично! оптимiзацil одержують максима-льну яюсть об'екту.
Структурно-аналтичт методи потребують створення математично! моделi об'екту проектування з глибокою деталiзацiею всiх (або значно! бь льшостi) його показниюв та зв'язкiв параметрiв. За цих методiв процес проектування - це дослщження згадано! моделi, визначення ЦФ. Для цього потрiбний вiдповiдний математичний апарат та ЕОМ велико! потужность
Адаптивш методи потребують вихщно! математично! моделi пристрою й ЦФ, яка може й не враховувати вшх особливостей створюваного об'екту, але передбачае можливють змiни моделi та !! параметрiв у процесi проектування - це евристичш методи проектування, методи морфолопчного синтезу; вш вони потребують розвинено! бази знань у виглядi формалiзова-них моделей фiзичних та технологiчних процесiв, методiв змiни характеристик та параметрiв об'ектiв (евристичних прийомiв), можливостi прова-дити оцiнку значень ЦФ для кожного варiанту об'екту проектування, а також суттево! участi людини-проектувальника у самому процесi [1]. 1н-струментальнi обчислювальнi засоби за цих методiв повиннi зберiгати ве-лику кшьюсть шформацп у базах знань та даних.
За структурно-оптим1зацтних методов намагаються перед yciM ство-рити таку ЦФ, яка б могла забезпечити оптимальну структуру об'екту, по-еднувала в собi основнi параметри пристрою, й не потребувала б змши и само!' на подальших етапах проектування; оптимуму И досягають парамет-ричною оптимiзацieю - змшою параметрiв таким чином, щоб досягнути максимального значення показника якость Головна проблема за цих мето-дiв полягае у створеннi ЦФ, адекватно! майбутньому техшчному пристрою: вона повинна мютити у собi вс зв'язки мiж окремими параметрами конструкцп та визначати !'х вплив на головний показник якост цього пристрою, а оптимум ЦФ забезпечують умовною оптимiзацiею параметрiв для чого повинш бути створенi спецiальнi (об'ектно-орiентованi) системи ав-томатизованого проектування (САПР), у склад яких входять програми оп-тимiзацii. До ЕОМ пред'являються вимоги велико!' швидкодп: оптимiзацiя провадиться послщовними iтерацiями, на кожнiй з яких здшснюеться великий об'ем обчислень.
Створення цшьовоУ функцп пристрою методами теорй' подiбностi
Методи подiбностi та розмiрностей [2] можуть бути основою для створення структурно!' моделi пристрою та ii ЦФ за структурно-оптимiзацiйного методу проектування.
Теорiя подiбностi дае змогу визначити зв'язки мiж параметрами проце-су, що розглядаеться, у виглядi крш^альних рiвнянь, як1 замiнюють по-вну систему диференщальних рiвнянь, що цей процес описують. Наявнiсть цих рiвнянь, у як1 входять параметри техшчного пристрою, пов'язанi iз ре-алiзацiею процесу, дозволяе створити модель нульового рiвня, яка на на-ступних етапах проектування не потребуе змш структури й принципових рiшень, вимагае тшьки параметрично!' оптимiзаци, завдяки чому суттево скорочуеться об'ем проектних операцш та час проектування. Згiдно з p-теоремою теорп подiбностi, кшьюсть рк безрозмiрниx критерпв подiбностi К дорiвнюе рк=ррп-ров, де ррп - кшьюсть розмiрниx параметрiв; ров - кшьюсть основних одиниць вимiрювання системи фiзичниx величин.
Одиничнi критерп подiбностi, створенi iз фiзичниx величин, звичайно мають форму степеневих комплекшв типу Ki=aabßcfdl, де a, b, c, d... - роз-мiрнi параметри, a, ß, у, 8 ... - коефщенти впливу вщповщного розмiрного параметру на критерш К. Одиничнi критерп К, що вщносяться до яко'сь одте! сторони процесу можуть бути об'еднаш у частинш критерп:
_ n
Ki = X w^Ki, (1)
k
де wik - функцп впливу кожного з одиничних критерпв на частинний.
Система n частинних критерпв Ki характеризуе один i той же процес, що здшснюеться у техшчному пристрою, тому вс критерп взаемо-пов'язанi, й можливо, зпдно iз принципом взаемност Онзагера [3], сфор-
мувати систему n лшшних р!внянь:
__n
Kl = WnKl + Wj2K2 + Щ3К3 + ... = X W\ÍK¡
i
__n
K2 = W21K1 + w22K2 + W23K3 + ... = X W2iKi (2)
i (2)
__n
Kn = WnlKl + Wn2K2 + Wn3K3 + ... = X WniKi
i
Комплексним показником якост у деяких випадках можна обирати будь-який з частинних критерпв K¡ Í3 системи (2), якщо bíh визначае най-бiльш важливi для конкретного пристрою властивост, але Í3 врахуванням впливiв всiх iнших одиничних критерпв.
Загальний комплексний критерiй - ЦФ - найчастше створюеться, як лшшна згортка у теори багатоцшьово1 оптимiзацii [6]:
_ n _ n n
K = XK =XX WK . (3)
i i k
Функцп Wa iз однаковими iндексами - основы, вони визначають найбь льший вплив критерпв К на частинний; iз рiзними - wik - перехресн, це впливи решти критерпв Кк на K¡, причому перехресн функцп взаемного
впливу дорiвнюють одна однiй: Wik=Wk; вони можуть бути визначен р!з-ними способами - теоретично, виходячи з математичноi моделi процесу, методами теори багатоцiльовоi оптимiзацii, методами регресiйного аналiзу на основi статистичних дослiджень.
Загальний комплексний критерш K , який враховуе вплив всх парамет-рiв на показники об'екту, що проектуеться, дае можливють визначити, як1 параметри i яким чином впливають на його яксть, тобто дозволяють спро-ектувати пристрш iз найвищими показниками якост, починаючи iз ство-рення структурно'' моделi нульового рiвня.
Комплексний 6e3po3MÍpHrn критерш якост1 та модель нульового |мвня консгрукцй' радюелектронного апарату
Показники якостг систем захисту РЕА eid зовншнгх впливгв
Характерна особливютъ РЕА - вплив рiзноманiтних дестабтзуючих факторш зовн1шнього середовища на ii роботу, тому важливою вимогою до консгрукцй' як раз i е забезпечення функцюнування апарату пiд час ди цих факгорiв, а також захист цього середовища вщ можливих шкщливих впливiв самого апарата.
Дестабiлiзуючi зовышн фактори: а) механiчнi - зовншнш тиск, вакуум, л1н1йн1 прискорення, вiбрацii, удари; б) клiматичнi - температура, волога; в) магнин, елект-ричн та елек1ромагн1тн1 поля; г) рiзнi види радаци; д) агресивне середовище, лщ, пил, т.п. Для всх цих параметрiв е одинищ вишрювання (тобто вони розмiрнi), i значення кожного з них Фк при проектуванн1 апарату вiдоме, а також вiдоме (з умов нормальноi роботи функцюнальних елементв та вузл1в апарату) допустиме значен-
ня Ф^ фактору у внутршньому об'еМ.
Ивень захищеносл вщ впливу конкретного фактору можливо визначати за до-
Ф
помогою параметричних критерйв (КФк )сз = ——, кожний Í3 яких висувае вимоги
ФкР
до системи захисту внуIрiшнього об'ему апарата вiд кожного iз зовн1шн1х дестабт-зуючих факгор1в, причому, чим бтьше критерш, тим вище якiсть. На основ! шже-нерного досвщу проектування РЕА можна знайти для кожно!' iз вказаних систем значения критерйв (Я'Фк)сз, тобто визначити, яку iз iснуючих необхщно застосувати для апарату, що створюеться, i якi повинш бути й параметри. Якщо жодна iз вщомих систем не може забезпечити необх^дного значення конкретного (КФк)сз, це означае, що потрiбне нове ршення дано! техшчноl проблеми. У дшсносп елементи вох цих систем е оргатчними частками конструкцй апарату, вони впливають на його об'ем та масу (вirдповirднi коефiцiенги wk дуже сутгевi), тому дощльно ще додатково ощни-
m
ти масову характеристику кожно! системи захисту крит^ем (Ктк )сз = 1 - , де
яс - маса елемеигiв системи захисту.
Техтчну досконалiсгъ РЕА у бтьшосп випадкiв оцiнюють його функцiональ-ними параметрами (вони розмiриi); комплексна ощнка повинна врахувати й особли-восп його конструкцй, для чого потрiбиi безрозмiрнi кiлъкiснi критерй, як! б поедну-вали i фуикцiоналъиi ознаки, i конструктивы характеристики.
Макропоказники якот конструкцй корпусу
Внутршт склад та компонування апарату залежать вщ конкретного функцюна-льного призначення, а вс можлив! варiанти корпусу РЕЗ, якими б вони не були - чи iидивiдуалъноl конструкцй, чи у вигляд унiфiкованих типових конструкцш (УТК), можливо "генерувати" методом морфолопчного синтезу [1], але ви6!р оптимального (у тому числ й унфшованих) потребуе безрозмiрних критерйв якосл.
Важливими показниками для РЕА е коефщшти заповнення об'ему корпуса кз та використаиня маси km кз= V / V- характеристика рацюнальносп компоновки (V -об'ем, зайнятий електрорадiоелемеитами - ЕРЕ та функцюнальними вузлами - ФВ); km= M /М- характеристика маси радюелектронно! структури в апарап (M - маса ЕРЕ та ФВ).
Безрозмрний одиничний критерш KV - коефiцiеит використання об'ему РЕЗ, може бути створений у вигляд:
— О 2/
KV=(N - N) Syé (4)
MV/з
Показники степеня у кз та km таю ж, як i у парамегрiв, !з якими ni коефiцiеити повран (тобто V та М). Вираз (4) - макропоказник конструктивно! структури РЕЗ та техн1чних рiшень, що забезпечили й реалiзаniю: чим менше об'ем та маса корпусу, у якому здшснюеться фуикцiоиування радюелектронно! структури апарату, тим досконал1ше конструкция; видно також, який значний вплив на яккть апарата мае
техичний ресурс т.
Показчики захисту РЕЗ вiд зовншнх мехашчних впливiв Досконатсть системи захисту пристрою вщ в1брацшних та ударних вплив!в можливо оцшювати за допомогою коефщенпв динашчного п1дсилення Лдин за силового чи передач! Ккн - за кнематичного збудження [4]. У резонанснш зон! ефек-тивн1стъ захисту можна оц^нити значеннями ^еф=1/Кдин та Кф^/Кш (Кин та Ккн>1), а у зарезонанснш - Кф=1-Ктн чи Кеф=1-КК^ (Кш<1 та Кн<1).
Власна частота РЕЗ юо, який розглядаютъ як тверде ф1зичне тшо, зале-житъ вщ конструкцп корпусу, масових та шерцшних характеристик ФВ, внутр!шньо! компоновки - розмщення останых у корпус, тобто масових та шерцшних характеристик вше!' конструкцп. Оптимальна компоновка ФВ у корпус! - та, що забезпечуе необхщне значення юо: за низько! часто-ти юо® тах, за високо! юо®тш; у останнъому випадку у зарезонанснш зон буде забезпечений в1брозахист. Зменшення ударних навантаженъ на еле-менти конструкцп можливе, якщо коефщент розладу У=юуд/юо> 1.873 за нашвсинусо!дального ударного !мпульсу, та У=юуд/юо>3 за прямокутного (Юуд=р/туд - умовна частота ударного !мпульсу тривалютю туд).
Таким чином, для забезпечення захисту вщ в!брацтних та ударних навантаженъ необхдно забезпечити в!дпов!дн! масов! та терций характеристики РЕЗ, як! зале-жатъ в!д конструкцп корпусу та розмщення ФВ у його внутршньому об'ем! Мщтстъ та витривалiстъ елементiв конструкци корпусу Показник використання несучо! спроможносп матер!атв - одиничний крите-р!й: у елементах конструкци виникають ддоч напруження о, т, ок (нормальн, доти-чн, контактн!); допустим! !х значення оР, тР, окР визначаютъся властивостями матерь алв. Цей критерш показуе, наскльки використана спроможтсть матер!алу "нести
г о ла г т г о V
де а, р, у - коеф!щенти впливу вщповщ-
навантаження": км =
о
о р )
т
v т р )
ок
V окР )
них напружень на загальну мщтсть конструкци - останн! можуть бути знайден! розрахунками чи методами регресшного анатзу; максимальне значення КМ =1 для пристрою найвищо! якост!. Намагання досягти значення КМ=1 при проектуванн! буде вимагати рацюнатзаци конструкци основних деталей, м!н1м!зац11 !х розшр!Б (ма-си) - додатковий вплив на зменшення загально! маси М.
Показники системи забезпечення теплового режиму РЕЗ визначае одиничний критерш КТ, який можна сформувати, розглядаючи значення абсолютних температур: То - оточуючого середовища; температури, як! забезпечен у апарап - Тш - вну-тр!шню у корпус!, Тел - ЕРЕ та ФВ; витрати енерги Дохл на функцюнування систем идтримки необх!дного теплового режиму (вентиляци, охолодження ФВ) у внутрь шньому об'ем!, що вид!ляеться елементами у внутршньому об'ем! корпусу Дел та потужн!сть, яка потр!бна для роботи системи охолодження Дохл :
T T k F 1
K _ o _ Jo вн-* ел_____
АТвн Nзб 1 + kBH Fe.i
' N Л
1 1"охл
N
V ел у
kK FK
де Fei, FK - площа тепловiдводу eieMeHTiB, що видiляють тепло, та зовшш-ня корпусу, вщповщно; кел, кк - коефщенти тeпловiддачi вiд повeрхнi еле-мeнтiв до внутрiшнього об'ему та вщ корпусу до зовнiшнього середовища. Це спiввiдношeння дозволяе визначити вимоги до парамeтрiв квн, кк, F^, FK, як1 й нeобхiдно забезпечити при проектуванш.
Показники системы забезпечення електромагнтно'1 cyMÍcnocmi
Захищешсть апаратури вщ впливу зовнiшнiх eлeктромагнiтних завад (а також вплив самого апарату на зовшшне середовище) визначають норми електромагштно! сумiсностi [6]; цi показники - одиничш критерп, що увiйдуть у комплексну оцшку.
Показники технологiчностi конструкци
Технолопчна досконалiсть конструкци може бути визначена за допомо-гою основних показниюв тeхнологiчностi: коeфiцiентiв рiвня технолопч-ност1 Крт - за трудомютюстю виготовлення, та Ксв - собiвартостi, як1 без-розмiрнi, !х можна об'еднати у один: Ктех=КртКсв. 1снують нормативнi до-кументи, де викладена методика розрахунку вказаних коeфiцiентiв.
Коефщент корисно'1 дйРЕЗ
Для РЕА, у яких створення потоку енерги на виход - головна функця, коефщъ ент корисно! дй (ККД) |= N /N також необхдно використовувати, як одиничний критeрiй Кг=| iз свогм коeфiцiентом впливу w¿ якщо N =0, вiдповiднi коeфiцiенти впливу w=wk=0.
Комплексний показник якостi конструкци формуеться у виглядi рiвнян-ня (3) iз частинних та одиничних критерпв - це й е модель нульового рiв-ня, яка на подальших етапах проектування повинна перетворитися у конс-трукцiю реального РЕЗ, а И максимального значення нeобхiдно добиватися оптимiзацiею парамeтрiв, що входять до вшх критерпв.
Параметрична оnтимiзацiя ЦФ провадиться змiною парамeтрiв для оде-ржання максимуму частинних критерпв та комплексного - це й буде оптимальна модель конструкци. Звичайно майже на значення кожного iз параме-трiв реально! конструкци (розмiри, форму, мехашчш характеристики мате-рiалiв, температури ЕРЕ та ФВ й т.п.) накладет обмеження, тому параметрична оптимiзацiя майже завжди повинна бути умовною (на вщмшу вщ без-умовно!, коли обмежень немае). Алгоритми та програми умовно! оптимiза-цп вже при вщносно невелик1й кiлькостi змiнюваних парамeтрiв (десятках) вимагають швидкодiючих ЕОМ та значного часу проектування [9].
Висновки
Конструкцiя РЕЗ - це складна система взаемопов'язаних деталей, ФВ, ЕРЕ. Математична модель у виглядi комплексного критерш вiдображае цi
зв'язки, й тому, при оптимiзацiйнiй змш будь-якого параметру, змшюють-ся майже Bei частиннi критери. Якщо намагатися покращити якусь одну властивють конструкци, вважаючи ii важливою, можна погiршити iншу. Тому й виникае проблема багатоцiльовоi оптимiзацii - визначення оптимального вибору параметрiв для досягнення максимуму комплексного показ-ника [6]. Для параметричноi оптимiзацii необхiдно створити системи рiв-нянь, що визначають, в залежностi вщ координат функцiональних вузлiв, частоти власних коливань РЕЗ, температури у корпус^ параметри електро-магнiтноi сумiсностi й т.п. (побудова та^ математичноi моделi - достат-ньо складна задача). Структура корпусу РЕЗ - це компромат компонува-льнi рiшення, як повиннi вдовольнити визначенi вимоги, а оптимальний
варiант може бути знайдений за допомогою оптимiзацii ЦФ.
Лгтература
1. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов
втузов. М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.
2. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972. 440 с.
3. Денбиг К. Термодинамика стационарных необратимых процессов: Пер. с англ.
М.: ИЛ, 1954. - 120 с.
4. Хоменюк В.В. Элементы теории многоцелевой оптимизации.М.:Наука,1983. 124с.
5. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А. Механические воздействия и защита
радиоэлектронной аппаратуры: Учеб. пособие для вузов / Под ред. В.А. Фролова. М.: Радио и связь, 1984. - 224 с.
6. Бадалов А.Л., Михайлов А.С. Нормы на параметры электромагнитной совмести-
мости РЭС: Справочник. М.: Радио и связь, 1990. - 272 с.
7. Прищепа М.М., Погребняк В.П. Мшроелектрошка. В 3 ч. Навч. поаб. / За ред.
М.М. Прищепи. К.: Вища школа, 2004.
8. Рвачев В. Л. Теория ^-функций и некоторые ее приложения. К.: Наукова думка,
1982. 550 с.
9. Оптимальное схемотехническое проектирование в машиностроении: Учебное
пособие / А.И. Петренко, В.В. Ладогубец, В.В. Чкалов. К., УМК ВО, 1989. 164 с.
Ключов1 слова: конструювання радиоелектронно! апаратури, радюелектронна аппаратура, оптимальне конструювання
Уваров Б.М. Принципы проектирования конструкций радиоэлектронных аппаратов с оптимальными показателями качества Рассмотрены проблемы, возникающие при проектировании конструкций радиоэлектронной аппаратуры, а также методы создания целевой функции устройства, обеспечивающие наивысшие показатели качества объекта проектирования Uvarov S.M. Principles of designing of designs of radio-electronic devices with optimum parameters of quality The problems arising at designing of optimum designs of radioelectronic modules the equipment, and also methods of creation of criterion function of the device ensuring best parameters of quality of object of designing are considered
